Ω形轴向槽道热管的研究进展与应用展望Word格式文档下载.docx

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本文在前人研究总结的基础之上，不仅按照时间顺序，而且根据槽道的不同结构进行分类，论述了其发展历程，尤其重点介绍了Ω形轴向微槽道热管及其应用。

1槽道热管特性

槽道热管，是在实现热管多相传热、热阻更小、传热系数更高等功能的同时，利用槽道界面张力的作用可以使液相工作介质回流从而实现吸液芯的功能[5-6]。

2010年，陶汉中[7]等人，针对应用于电子元器件散热领域的微槽道热管研究进展，对其特性作出了相对比较全面的总结。

总体来说有以下特点：

（1）对于理论研究，槽道热管的吸液芯结构几何外观上比较明晰、随机性较小，因此更适合微流动、微相变和微尺度传热过程的分析，其对于微肋、狭槽类微型能量系统的研究性更明确，针对性更强。

（2）槽道热管的毛细回流力由汽液两相界面轴向曲率半径差提供，作用力方向为槽道延展方向，且汽液两相直接接触等特点使槽道热管的理论研究更具特点。

（3）从应用角度来看，槽道热管的吸液芯结构是在管内壁加工的一些流体通道，吸液芯结构与壁面为一整体。

这一特点带来了两方面的优势：

首先，壁面与吸液芯结构之间的热阻较小；

其次，二次加工性能好，在弯曲、压扁等加工过程中，不会出现吸液芯结构与壁面剥离甚至脱落现象，保持良好传热性能。

（4）蒸汽与金属接触面积大，从而使得热管具有较小的热阻。

蒸发段槽道内的液体三面受热，接触线附近的薄液膜区相变阻力很小。

在冷凝段，蒸汽在槽顶凝结后，在径向表面张力作用下，使该部分区域的液膜厚度极小，冷凝换热能力大大加强。

（5）吸液芯结构的各向异性使其在离心场、电磁场等环境下得到应用，发挥更大的作用。

2槽道热管概述

槽道形式吸液芯热管，最早见于Kemme[5]在1966年和1969年的报告。

槽道形式吸液芯热管一经提出，就受到广泛的关注。

当今，微槽道热管，因其单位几何结构和工质填充下，蒸发段和冷凝段段均具有较高的换热效率（103-105W/m2K）和较小的热阻（0.01-0.03K/W）[6]，而占据了吸液芯式热管研究的最前沿阵地。

微槽道热管按照槽道形状可以分为内三角形（triangle）、矩形（rectangular）、梯形（trapezoid）和最新发展起来的“Ω”形等。

吴晓敏等和Zaghdoudi等，在通过对多种热管性能比较和试验分析，得出槽道吸液芯热管具有相对最大的传热系数和最小的热阻，奠定了槽道吸液芯热管具有发展应用前景的坚实基础。

陶汉中[7]等人，在槽道吸液芯研究进展的文章中，重点对微槽道热管在电子元器件散热进行了论述总结，提出：

槽道热管广泛应用于航空航天、电子散热和电磁场、离心场等非惯性场。

目前，我国各主要工业部门余热资源率平均达到7.3%，而余热资源回收率仅为34.9%，尚未回收的余热主要以低温余热为主，回收潜力十分巨大[4]。

工业上采用的碳钢-水热管制成的热管省煤器、空气预热器、蒸汽发生器等产品，在中高温余热回收领域，得到有效的工业推广和应用以外，针对低温余热目前存在的梯度大、品位低、热值分散等回收瓶颈，槽道热管将有非常广阔的应用前景，但是此类的相关研究常处于理论计算和实验阶段，缺乏相关的应用研究和工程实践。

3槽道结构研究

3.1梯形

早在1996年，Kobayashi等，运用数值分析的方法，将梯形微槽道结构传热传质区域划分为宏观和微观，并运用守恒方程和Laplace-Young方程，数值计算得出微观区域即微槽道区传热能力极强，证实了微槽道的良好传热特性；

2001年，Seo等，同样采用动量守恒方程和Laplace-Young方程，通过对剪切力、接触角、充液量等因素的试验考查，得出梯形槽道内液-气两相的压力分布；

2003年，Suh等通过对半月面曲率半径、相间摩擦系数分析，建立了准二维热平衡方程，得出蒸汽压力分布和传热极限功率，是对梯形槽道应用基础理论研究的一大进步；

2004年，范春丽等又针对梯形槽道热管的充液量、倾斜角度等影响因素，继续采用动量守恒方程和Laplace-Young方程，计算出了其传热热阻并通过实验研究，得出了其具有较高的传输功率和较好的传热特性；

2005年，Jiao等构建了二维守恒方程和Laplace-Young方程，以梯形槽道结构、薄膜蒸发以及接触角为研究对象，得出梯形槽道结构对相变传热影响较为明显；

同年，Chen等通过加工方法、传热性能等因素，对梯形槽道热管进行试验研究，认为壁面有一定摩擦对热管传热有利；

同年，Suman等运用经验公式和数值分析方法，针对曲率半径和流速，建立起一维非稳态守恒方程，得出曲率半径、几何结构对其传热性能影响较大。

3.2矩形

自从1996年，梯形微槽道出来的同时，Ochterbeck等运用数值分析方法，建立起一维守恒方程，得出了高宽比为1.35的矩形槽道性能较优的结果，研究学者也就同时对矩形槽道进行了研究；

1999年，Yan等运用分析法，针对槽道内部润湿速度、超临界启动过程，建立起热平衡积分方程，划分出了矩形槽道热管的启动时间和轴向温度的分布，为以后的研究打下了基础；

2005年，Suman等矩形微槽道内工质流速和接触角为研究对象，建立起一维非稳态守恒方程，最终推算出经验设计方程，对今后微热管的设计具有一定的指导作用。

与此同时，苏俊林等针对矩形槽道平板热管，对其热流密度和工作温度进行了试验研究，研究表明矩形槽道平板热管具有很高的传热能力，适合电子散热；

随后的2006年liu等，在此基础之上，对其传热性能进行研究，并探索出纳米CuO对矩形槽道热管蒸发段传热具有强化作用；

2007年，Lefevre等运用理论试验分析相结合的方法，针对曲率半径和传热极限因素，对矩形平板热管进行了优化。

2008年，李西兵等通过对传热极限的研究，开发出矩形槽道热管传热极限模型，并通过实验验证；

2009年，Stephane等对矩形平板热管的轴向温度分布进行了深入研究，将蒸发段的相变状况可视化；

2010年，Kyu.Kyung等基于矩形平板热管，将工质中添加氧化铝纳米颗粒，建立槽道纳米流体流动模型，研究表明添加纳米颗粒形成纳米流体，可以增强热管的传热特性，为今后微槽道热管的发展，重新指明了新的研究方向。

3.3三角形

对三角形为槽道热管的研究，出现在梯形和矩形槽道以后，开始于1997年。

Ma等人，运用数值分析法，针对三角形槽道的剪切力、接触角、蒸汽流动、工作角度和槽道结构，建立起动量守恒方程和Laplace-Young方程，得出了三角形槽道热管的毛细极限，初步奠定了三角形槽道的理论基础；

2003年，Do等同样运用数值分析法，对曲线三角形槽道的曲率半径、相间摩擦系数，建立了Shah模型并列出了热平衡方程，得出了传热极限和两相压力分布，补充了三角形槽道理论；

2003年，Kim等运用数值分析方法，针对三角形槽道的剪切力、接触角和热管充液量，构建了一维动量方程，得出了其传热极限；

2005年，Thomas等根据有限单元法和经验公式，对槽道形式、剪切力，构建了动量守恒方程和Laplace-Young经验方程，得出三角形槽道的毛细极限；

同理在2007年，Suman等运用同样的数学模型和经验方程，针对热阻和传热极下的毛细极限，进一步深化了三角形槽道理论；

2008年，Kyu等通过数据分析和集中参数，构建出一维守恒方程和Laplace-Young方程，研究得出提高微型热管传热极限的方法。

3.4螺旋形

1997年，Lin等对螺旋形槽道热管进行了数值分析，得出了其传热极限和两相压力分布；

1998年，Klasing等对直的螺旋槽道热管在围绕非中心线的轴线旋转时可能出现的沸腾极限、毛细极限和携带极限进行了研究，实验结果表明：

随着转速的增加，反重力下传热能力有所增加；

1999年Klasing等建立了旋转螺旋槽道热管操作极限的数学模型，由于毛细极限计算复杂，计算中采用螺旋槽道全长的总体积力计算，沸腾和携带极限采用多种方法计算。

计算结果得到了验证；

2001年Castle等[90]试验和分析结果均表明：

增加转速对提高螺旋槽道热管的毛细极限有明显作用。

研究的目的是从试验角度分析液池变化对螺旋槽道热管传热性能的影响，描述热管吸液芯结构几何参数的测量过程及工作介质的充装过程，另外还针对充液量的不确定性进行了分析。

实验研究的内容包括热管的极限传热能力、稳定工作热阻和蒸发段换热系数。

试验条件是径向加速度分别为0g、2g、4g、6g、8g和10g，充液率G分别为0.5、1.0和1.5；

2007年，Todd等[91]详细研究了包括空间螺旋槽道热管在内的旋转热管的传热性能，建立了比较完备的数值模型，从理论上和实践上丰富和完善了旋转热管，特别是空间螺旋槽道旋转热管的理论，并且在转轴的散热方面给出了应用状态下的实验数据；

2008年，方书起等针对螺旋槽道热管的等效对流换热系数，进行了试验研究，研究表明与光管相比，螺旋槽道热管换热系数可以提高20%~30%；

3.5其他结构

除了以上几种常见深入研究的结构之外，还出现了倒梯形（燕尾槽）、星形、菱形、丝网状、蝶形辐射槽道等结构，使微槽道热管研究更具有全面性，也更具有创新代表性。

2001年，Kang等[78－79]为了解决微型热管毛细极限比较小，传热受到明显限制的缺点，研究并提出了星形槽道和菱形槽道结构以强化毛细压头，增加尖角和狭缝，这两种形式的槽道热管均加工在4英寸硅晶片上。

试验研究了不同充液量和热流密度下的热性能。

蒸发段的加热片由电加热，冷凝段为水冷，热电偶为K型，星形热管和菱形热管的当量导热系数分别为277.9W/（m·

K）和289.4到W/（m·

K）。

2002年，PonnappanRengasamy等[]描述了一种丝网形槽道热管，通过试验与矩形槽道热管相比较，得出热流密度达到115W/cm2，已经应用于电脑CPU和激光表面元件的散热。

2003年，Chion等[78－79]研究的对象是应用于激光二极管TO集成部件的蝶形辐射槽道小型热管散热器，基板为铝质。

通过优化，散热器结构完全可以满足传热性能的要求。

3.6对比研究

自从槽道的结构形式从单一发展成多样化的同时，各种槽道之间的对比试验也成为学者的主要研究内容。

2001年，Thamas等运用有限差分法，针对槽道形式、界面剪切力和接触角，建立起动量、质量、守恒方程和泊松方程，对三角形、矩形、螺旋形三种微槽道热管进行了对比研究，模拟得出液相的回流速度。

2004年，张春丽等通过对燕尾槽平板热管的倾斜角度和充液量进行研究，分析得出在重力辅助情况下，充液率为1.2的燕尾槽平板热管性能由于矩形槽道热管。

随着研究深入，通过挤压方法生产的不规则型微槽道，形状介于矩形与倒梯形之间，实验研究成果表明，具有更好的传热性能[7][8]；

4新一代槽道热管----Ω形轴向槽道热管

此种形状槽道热管，是最近几年才发展起来的新兴微槽道结构，国外几乎没有文献报道。

国内研究主要集中在东南大学、昆明理工大学。

4.1理论研究

Ω形槽道的理论研究主要以山东大学和东南大学为主。

2007年，郑威利用Cotter理论，针对设计的Ω形轴向槽道热管，进行了传热机理分析，并求解了此热管在不同工作温度下的各种传热极限，同时计算出了热源在上时的最大工作倾角，为Ω形槽道热管的理论研究奠定了基础，但尚未全面深入。

2008年，张程宾等运用经验公式和数值分析方法，针对曲率半径和流速，建立起二维守恒方程和Laplace-Young方程，计算出了Ω形槽道的传热极限；

同时，又对此类型热管在蒸发段和冷凝段的吸液芯内热流通路的分析，并考虑沿轴向蒸发段和冷凝液膜的厚度分布，建立Ω形轴向槽道热管热阻的理论预测模型，分析讨论了工作温度、热负荷及吸液芯结构对热管热阻的影响。

结果表明：

Ω形热管的热阻随工作温度和热负荷的增加呈线性增加但增加幅度不大。

在满足热管结构尺寸和热负荷要求的前提下，选择大毛细芯窄缝宽度和小毛细芯直径，能有效提高热管等温性。

并通过实验验证所建立的理论模型的正确性；

2009年，张程宾等首次提出小生境遗传算法，针对几何结构和热阻，探索出遗传算法在热管性能优化的可行性，并进行了相关传热特性的实验研究，结果表明：

Ω形槽道热管具有良好的恒温特性和导热性能，可实现高热流、长距离、低温差的热量传输。

该形热管的当量导热系数是360~460KW/（m.℃），能达到紫铜的1000倍，总热阻为0.0085~0.0112℃/W，蒸发传热系数为2900~3500W/（m2.℃），凝结传热系数为5200~8400W/（m2.℃）；

与此同时，陈永平等通过试验研究，得出Ω形槽道热管的传热极限，开发出适合Ω形槽道计算模型；

4.2应用研究

2007年，郑威根据AMS-02散热板中热管的使用要求和工作条件，选取Ω形轴向槽道作为小型轴向槽道热管结构，进行相关设计，工质为氨，管壳材料为铝，研究设计了其加工工艺，分别为机械加工、清洗、干燥、组装、检漏、除气、充装和封接等，最后通过实验鉴定了Ω形槽道热管的性能并对其传热特性进行了实验研究，给出了Ω形槽道热管的启动特性和稳态特性，分析了加热功率、冷却水流、充液率及放置倾角对工作温度的影响；

热管工作温度、加热功率及放置倾角对热管沸腾换热系数表面传热系数、凝结换热表面传热系数、热阻及当量导热系数的影响。

2011年，昆明理工大学的黄宇轩等，搭建了热管实验测试平台，对Ω形轴向槽道铝-丙酮热管进行了性能测试，研究了在不同温度、不同倾角以及不同充液量下，Ω形铝-丙酮热管的等温性能，启动时间，并对实验结果进行了分析。

研究表明：

在同一热源温度条件下，工质充装量越多，热管的启动时间越长；

在工质充装量相同时，热源温度越高，热管的启动时间越短；

在相同热源温度下，随着热管倾斜角度的增加，轴向温差呈现出减小的趋势，然而，对于大充液量的热管，其等温性能基本不受倾斜角度的影响；

工作性能良好，可以用于低温余热的回收利用；

初步为Ω形轴向槽道热管的应用研究奠定了基础。

同年，昆明理工大学的尹建成等，提出Ω形轴向槽道热管可以应用于去除路面冰雪和调节路面温度，提出一种新型路面温度调节装置，该装置不仅可在冬季使路面升温、融化冰雪，而且可在夏季为路面降温，提高路面的稳定性，该装置不需要任何化学试剂和机械设备，依靠Ω形热管的高效传热特性，耗能低，应用前景广阔。

为Ω形槽道热管在建筑、公路等民生领域的应用，积累了初步的经验，也为以后的发展指明了方向。

4.3展望

伴随着Ω槽道新型高效热管的研究深入，其极高的传热性能和极低的热阻，制造出铝-丙酮、铝-萘等Ω形轴向槽道热管，作为高效传热元件，研发出新一代高效热管换热器，用于中温余热的回收利用和低温工况下的高效散热除湿，将Ω形热管研究推向工业化应用阶段。

5结语

（1）槽道吸液芯热管不仅继承了普通热管两相流动、相变传热的优良传热特性，槽道将提供毛细力媒介，更适合微流动、微相变、和微尺度传热传质；

（2）因其槽道可在管内壁直接加工，热管即可通过挤压等塑性一体成型，利于工业化生产，具有很广阔的应用前景。

（3）槽道热管的理论研究尚未深入与全面，必须和传热传值学研究一道，微尺度、微通道、非平衡热力学等理论的研究深入，将会促进微槽道热管理论的发展与应用；

（4）由于槽道热管重在可“微”，不仅高效，而且二次加工性能好，适合高效传热传质，可广泛应用与电子散热、超重力场、电磁场等科技领域；

（5）Ω形轴向槽道热管，作为槽道热管发展的新生代，当量导热系数是360~460KW/（m.℃），能达到紫铜的1000倍，其更加优良的传热特性，可以应用于梯度大、品位低、热值分散的中低温余热回收，提高其回收效率和品质，促进节能减排，推进国家十二五规划的顺利实施中，将是新的亮点；

（6）应对Ω形轴向槽道，作以更加深入的理论研究和应用实践，构建相关数学模型和积累经验方程，开发相关实验平台，为其尽快能在高效热交换装置中应用、推广奠定基础。